Caracterização da liga do sistema binário Ti-15Mo para aplicações biomedicas

UNESP

- UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

Campus de Guaratinguetá

TIAGO ZEQUIM TRABACHINI

CARACTERIZAÇÃO DA LIGA DO SISTEMA BINÁRIO

TI-15MO PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS

TIAGO ZEQUIM TRABACHINI

CARACTERIZAÇÃO DA LIGA DO SISTEMA BINÁRIO TI-15MO PARA

APLICAÇÕES BIOMÉDICAS

Trabalho de Síntese apresentado ao

Conselho de Curso de Graduação

em Engenharia de Materiais da

Faculdade de Engenharia do

Campus de Guaratinguetá,

Universidade Estadual Paulista,

como parte dos requisitos para

obtenção do diploma de Graduação

em Engenharia de Materiais

Orientador: Prof. Dr. Ana Paula Rosifini Alves Claro

T758c

Trabachini, Tiago Zequim

Caracterização da liga do sistema binário TI-15MO para aplicações biomédicas / Tiago Zequim Trabachini – Guaratinguetá : [s.n], 2012. 44 f. : il.

Bibliografia: f. 41-44

Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2012.

Orientadora: Profª Drª Ana Paula Rosifini Alves Claro

1. Ligas de titânio 2. Metais – Tratamento TérmicoI. Título

AGRADECIMENTOS

Primeiramente gostaria de agradecer a Deus por estar sempre me guiando, me iluminado e por me dar plenas condições de realizar este trabalho.

Aos meus pais, José Ricardo e Kátia, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos e esforço realizado com enorme apoio durante esses cinco anos de crescimento.

A minha companheira Bruna Barbi por me incentivar, compreender e sempre auxiliar em momentos difíceis.

Aos amigos André Rangel, Tales Marongio, Daniel Virgilio, José Alberto, Fernando Henrique, Bruno Robson e Pérsio Mozart pelo companheirismo nestes anos.

Gostaria de agradecer aos professores do DMT que sempre estiveram presentes e auxiliaram a minha formação pessoal e acadêmica, em especial a professora Ana Paula Rosifini Alves Claro pela dedicação e atenção dedicada durante os anos de curso.

A todos os amigos que fiz durante a faculdade, pelos intermináveis churrascos e festas, pela grande amizade e convivência.

A minha sincera gratidão vai para aquelas pessoas que brindaram as alegrias, mas também, estiveram presentes nas situações onde não existiam felicitações.

E a todos que de maneira direta ou indireta, que me ajudaram a dar esse passo importante na nossa vida.

TRABACHINI, T.Z.

Engenharia de Materiais) - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2012.

RESUMO

Por apresentarem excelentes propriedades mecânicas, resistência a corrosão e biocompatibilidade, muitas pesquisas vêem sendo realizadas com relação a aplicações biomédicas das ligas de titânio. O presente trabalho tem como objetivo o estudo da liga experimental do sistema binário Ti-15Mo, no estado bruto de fusão e após tratamento térmico de homogeneização, solubilização e calcinação (simulando condições empregadas para crescimento de nanotubos) visando aplicações biomédicas. As amostras foram obtidas por fundição dos componentes em um forno arco voltaico com atmosfera inerte de argônio. Após a obtenção da liga, a mesma foi tratada termicamente em três diferentes tratamentos térmicos, sendo eles a homogeneização, solubilização e a simulação de calcinação. As fases presentes foram avaliadas por difração de raios-X, microscopia ótica e por ensaio de microdureza.

PALAVRAS-CHAVE: Ligas de Ti-15Mo, Biomateriais, Tratamento térmico,

TRABACHINI, T.Z.

system seeking biomedical applications. 2012. 46 f. Graduate Work (Graduate in Materials Engeneering) - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2012.

ABSTRACT

As they have excellent mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility, much research has been conducted with respect to biomedical applications of titanium alloys. This work aims to study the experimental system binary alloy Ti-15Mo, in the raw state of fusion and heat treatment after homogenization, solubilization and calcination (simulating conditions employed for nanotube growth) targeting biomedical applications. Samples were obtained by casting the components in an electric arc furnace with inert atmosphere of argon. After obtaining the alloy, it was heat treated at three different heat treatments, namely homogenizing, calcining and simulation solubilization. The phases present were analyzed by X-ray diffraction, optical microscopy and microhardness testing.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 6

1.1OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 9

2. REVISÃO DA LITERATURA ...10

2.1TITÂNIO ... 10

2.2MOLIBDÊNIO ... 11

2.3CLASSIFICAÇÕES DAS LIGAS DE TITÂNIO ... 12

2.3.1. Ligas α ... 13

2.3.2. Ligas pseudo-alfa (α’) ... 14

2.3.3. Ligas α+β ... 14

2.3.4. Ligas pseudo-β e ligas β ... 15

2.4.LIGAS DE TI-MO ... 16

2.5TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE TITÂNIO ... 17

2.5.1 Alívio de tensões ... 18

2.5.2 Recozimento ... 19

2.5.3 Solubilização e Envelhecimento... 21

2.5.4 Tempera ... 22

2.6INFLUÊNCIAS DOS ELEMENTOS DE LIGA NA OBTENÇÃO DE MICROESTRUTURAS E NA MICRODUREZA EM LIGAS DE TITÂNIO ... 23

2.7DUREZA ... 24

3. MATERIAIS E MÉTODOS ...25

3.1OBTENÇÃO DAS LIGAS ... 26

3.2HOMOGENEIZAÇÃO ... 28

3.3SOLUBILIZAÇÃO ... 28

3.4CALCINAÇÃO ... 29

4. CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL...30

4.1DIFRAÇÃO DE RAIO-X ... 30

4.2MICROSCOPIA ÓTICA ... 30

4.3MICRODUREZA ... 32

5. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...34

5.1FASES E MORFOLOGIA NO ESTADO BRUTO DE FUSÃO ... 34

5.2FASES E MORFOLOGIA APÓS O TRATAMENTO DE HOMOGENEIZAÇÃO ... 34

5.3FASES E MORFOLOGIA APÓS TRATAMENTO DE SOLUBILIZAÇÃO ... 35

5.4FASES E MORFOLOGIA APÓS SIMULAÇÃO DE CALCINAÇÃO... 36

5.5MICRODUREZA ... 38

6. CONCLUSÃO ...40

1. INTRODUÇÃO

Biomaterial é definido como qualquer substância ou combinação, de origem natural ou sintética, que pode ser usada por qualquer que seja o período de tempo, aumentando ou substituindo parcial ou totalmente qualquer tecido, órgão ou função do corpo.

Esses materiais podem ser classificados de acordo com sua origem, ou seja, se possuem origem sintética ou origem natural. Os biomateriais considerados sintéticos são provenientes de materiais sintéticos, como por exemplo, polímeros, compósitos, cerâmicos e metálicos. Já os biomateriais considerados naturais são provenientes de partes doadora do próprio indivíduo ou de partes provenientes de outros organismos. A Figura 1 representa a classificação dos biomateriais em sintéticos ou naturais.

Figura 1- Classificação dos Biomateriais (Adaptado de VALLET-REGÍ et al., 2004)

Geralmente os biomateriais sintéticos quando são inseridos no osso, estão encapsulados por uma cápsula fibrosa, que pode impedir uma osseointegração correta comprometendo a estabilidade da prótese. (GODLEY; STAROSVETSKY; GOTMAN, 2004).

Os biomateriais possuem outra classificação que é ligada diretamente com a resposta do organismo após a sua inserção. Podem ser classificados em: biotolerantes, bioativos e bioreabsorvivies (GEETHA et al.; 2009). Nos biotolerantes forma-se uma cápsula que não

Biomateriais

Biomateriais Sintéticos

(Artificiais) Biomateriais Naturais

Metais, Cerâmicos Polímeros e Compósitos

adere a superfície do implante, já nos bioativos existe a formação de tecido ósseo ao redor do implante. Abaixo segue o Tabela 1 com a classificação dos biomateriais de acordo com a resposta do organismo.

Tabela 1: Classificação dos biomateriais de acordo com a resposta do organismo.

Após a inserção do implante no organismo humano, uma série de reações é provocada pela interação do implante com fluídos corpóreos, proteínas e células. Essas reações podem ser observadas em diferentes intervalos de tempo na Figura 2 (Geetha et al., 2009).

CLASSIFICAÇÃO RESPOSTA EXEMPLOS

Materiais biotolerantes

Formação de tecido conectivo fino (0,1-10μm) e a cápsula não

adere a superfície do implante

Poli-tetrafluoretileno (PTFE); poli-metilmetacrilato

(PMMA), Ti, CoCr

Materiais Bioativos

Formação de tecido ósseo em torno do implante e fortemente

integrado com a superfície do implante

Biovidro, fosfato de cálcio sintético

Materiais bioreabsorvíveis

Substituição por tecido autólogo

Biomateriais metálicos geralmente são empregados para restaurar a função de tecidos duros, sendo utilizados em junções, ossos artificiais, coroas e implantes dentários, como mostrados na Figura 3 (HO,2005).

Figura 3: Diversos tipos de implantes metálicos.

Titânio e suas ligas vêm sendo empregados como biomateriais, por apresentarem excelente biocompatibilidade, elevado módulo de elasticidade, elevada resistência a corrosão e boas propriedades mecânicas, estas extremamente dependentes do balanço entre as fases presentes (HO, 1999;OLIVEIRA, 2006). A resistência a corrosão ganha destaque quando se toca no assunto de substituição de tecidos duros ou junções no corpo humano, pois existem fluidos extremamente agressivos no interior do corpo humano.

Uma das ligas de titânio que teve um grande destaque foi a liga Ti-6Al-4V, por apresentar as características anteriormente citadas, porém estudos comprovaram que os íons livres de Alumínio e Vanádio eram prejudiciais e podiam causar doenças neurológicas(KUMAR, 2008; WATANABE;TOPHAM,2004;WALKER,1998), então novas ligas foram desenvolvidas com elementos que não eram tóxicos, entre esses elementos estão o nióbio, tântalo, zircônio, molibdênio e ferro(GEETHA,2009;KURODA,1998).Com a utilização desses elementos novas ligas surgiram, entre elas podemos citar a Ti-6Al-7Nb ,Ti-5Al-2.5Fe,Ti-13Nb-13Zr, Ti-29Nb-13Ta-4,6Zr, entre outras (KURODA, 1998; NIINOMI,2003;TOKAJI, 1998).

Ligas α+ apresentam boa resistência a corrosão, biocompatibilidade e boas

propriedades mecânicas, porém as ligas B levam vantagem, pois suas características podem ser controladas através de tratamentos térmicos como solubilização, envelhecimento (KARASEVSKAYA, 2003). Devido ao titânio possuir duas formas alotrópicas, os tratamentos térmicos realizados nas ligas são baseados nas transições de fases que ocorrem no durante o aquecimento e o resfriamento das mesmas, sendo assim segundo SZKLINIARZ, 2003 através de tratamento térmico é possível produzir mudanças estruturais desejáveis e mudanças nas propriedades.

1.1 Objetivos Específicos

2. REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Titânio

O Titânio mostrado na Figura 4 é um elemento muito conhecido pela sua excelente resistência à corrosão, biocompatibilidade e pelas notáveis propriedades mecânicas. Sua excelente resistência à corrosão deve-se a formação de uma camada passiva de óxido de titânio (TiO2) de aproximadamente 2mm-10mm a partir do momento em que sua superfície entra em contato com o oxigênio

.

Figura 4: Elemento titânio.

É um elemento que está presente em diversos minerais, sendo proveniente principalmente do rutilo e da ilmenita. Apresenta baixa densidade, quando puro é facilmente trabalhado,devido à sua elevada ductilidade e além disso, quando puro é tão resistente quanto ao ferro. Quimicamente, é um dos elementos de transição da tabela periódica, pois possui a camada d incompleta, o que torna possível combinar-se com diversos elementos formando soluções sólidas substitucionais.

Possui uma temperatura de fusão de 1668º C e ponto de ebulição de 3287 ºC, apresentando em sua forma elementar até a temperatura de 882ºC uma estrutura hexagonal compacta (α) e a temperaturas superiores apresenta uma estrutura cúbica de corpo centrado

O Titânio é o quarto metal mais abundante na crosta terrestre, ultrapassado somente pelo ferro, alumínio e magnésio, porém sua aquisição se torna cara devido a dificuldade do seu processamento. (BIELER, 2005). Abaixo segue Tabela 2 com algumas propriedades do titânio não ligado:

Tabela 2- Propriedades do titânio não ligado.

Número atômico 22

Peso atômico 7,9 g/mol

Temperatura estrutura cristalina α (HC) 882 ºC Temperatura estrutura cristalina (CCC) Superiores a 882º C

Densidade 4,54 g/cm3

Ponto de fusão 1668 ºC

Ponto de ebulição 3287 ºC

Entalpia de fusão 15,45 kJ/mol

Calor específico 520 J/kgK

Condutividade térmica 19,2 W/mK

Módulo de elasticidade α 105 GPa

Tensão limite de escoamento α 692 MPa

Limite de resistência a tração α 785 MPa

2.2 Molibdênio

Por ser um material com elevada resistência mecânica e quando ligado com outros constituintes apresenta um aumento na resistência à corrosão, faz com que o molibdênio seja significativamente utilizado na fabricação de ligas ferrosas e não-ferrosas.

É um metal com aspecto branco prateado e assemelha-se muito com o tungstênio, possui um ponto de ebulição muito alto, chegando a aproximadamente 5560 ºC o que dificulta o seu uso nas indústrias.

Tabela 3- Propriedades do molidênio não ligado.

Número atômico 44

Peso atômico 95,94 g/mol

Densidade 10,2 g/cm3

Ponto de fusão 2610 ºC

Ponto de ebulição 5560 ºC

Entalpia de fusão 37,48 kJ/mol

Calor específico 250 J/kgK

Condutividade térmica 138 W/mK

2.3 Classificações das Ligas de Titânio

As ligas de titânio são classificadas de acordo com as fases presentes em sua microestrutura e há 5 categorias de classificação das ligas: alfa(α), pseudo-alfa(α’), beta( ), pseudo-beta( ’) e por fim ligas alfa+beta (α+ ).(WEISS 1999)

Com relação aos elementos de liga para o titânio, há três categorias: estabilizadores α,

estabilizadores e neutros. Os estabilizadores α são responsáveis por estabilizar a fase α nas

ligas de titânio, e esses elementos são representados pelo alumínio, oxigênio, nitrogênio e carbono.Já os estabilizadores estabilizam a fase e são representados principalmente por

elementos como o molibdênio, o vanádio, o tântalo e o nióbio.

Existem materiais que são considerados importantes elementos de liga para a constituição das ligas de titânio, entre eles podem ser citados o alumínio, o molibdênio, vanádio entre outros. O alumínio por formar com o titânio soluções sólidas, que aumentam a resistência e também diminuem a densidade; o molibdênio e o vanádio por serem os principais estabilizadores da fase B, sendo assim conferindo uma maior resistência.

Tabela 4- Influência dos elementos de liga. Elemento de Liga Quantidade

(% peso)

Efeitos na estrutura e propriedades

Alumínio (Al) 2 até 7 Alfa estabilizador,

endurecedor por solução sólida,reduz a densidade, melhora resistência a

oxidação

Cobre (Cu) 2 até 6 Beta estabilizador

eutetóide,melhora a soldabilidade, a e B

endurecedor

Hidrogênio (H) 0,008 até 0,02 Beta estabilizador eutetóide, elemento intersticial

Ferro (Fe) Beta estabilizador eutetóide

Molibdênio (Mo) 2 até 20 Beta estabilizador isomorfo, endurecedor moderado por

solução sólida da fase

Nickel (Ni) Beta estabilizador eutetóide

Oxigênio (O) 0,1 até 0,4 Alfa estabilizador, elemento intersticial

Tântalo (Ta) Beta estabilizador isomorfo

2.3.1. Ligas α

As ligas α apresentam uma menor capacidade de serem conformadas, por serem

constituídas pela fase alfa, que apresenta uma estrutura cristalina hexagonal (HC). Essas ligas possuem de baixa à média resistência mecânica, boa tenacidade ao entalhe, boa ductilidade e excelentes propriedades mecânicas em temperaturas criogênicas, porém não podem ser tratadas termicamente como as ligas beta e ligas alfa+beta e consequentemente não são soldáveis (SCHAEFFER, 2006).

nitrogênio e o carbono (SMITH, 1993).

2.3.2. Ligas pseudo-alfa (α’)

As ligas pseudo-alfa são aquelas que apresentam em sua microestrutura tanto a fase α quanto a fase , porém a quantidade de presente é muito pequena, devido à adição de uma

pequena quantidade de no máximo 2% do peso da liga de estabilizadores (BIELER, 2005;

SEMIANTIN 1999).

Essas ligas apresentam boa soldabilidade, elevada resistência a tração, em torno de 900MPa ,baixa ductilidade e alto módulo de elasticidade, além disso, possuem elementos

estabilizadores que aumentam a faixa de temperatura de ocorrência α+ e permitem que essas

ligas sejam trabalhadas a quente.(WEISS 1999).

2.3.3. Ligas α+β

Por possuírem em sua composição tanto alfa estabilizadores quanto beta estabilizadores, as ligas α+ apresentam um conjunto de características das ligas α e das ligas , como por

exemplo, boa conformabilidade, resistência à fadiga a frio e por serem termicamente tratáveis. Em contrapartida, há uma deficiência dessas ligas, pois resultam em uma notória fragilidade a altas temperaturas. (SCHAEFFER, 2006).

2.3.4. Ligas pseudo-β e ligas β

As ligas pseudo- e são ricas em estabilizadores, que no resfriamento impedem a formação da martensita.Com relação a A estabilizadores, essas ligas apresentam menores quantidade desse elementos em relação as ligas a e a+B .

As ligas apresentam um módulo de elasticidade menor quando comparadas com as

ligas α e as ligas α+ , devido as primeiras possuνrem estruturas cϊbicas de corpo centrado

(CCC) enquanto que as ligas α apresentam uma estrutura cristalina hexagonal (HC)

(NIINOMI, 2012). Já a frio e a quente, as ligas têm boa resistência a fadiga, porém podem

ser facilmente contaminadas pela atmosfera (SCHAEFFER,2006). Quando comparadas com as ligas α+ , as ligas apresentam uma desvantagem com relação a sua densidade, ou seja,

ligas α+ possuem uma densidade menor do que as ligas . Apσs o tratamento térmico de

solubilização essas ligas apresentam uma condição de 100% de fase retida e consequentemente apresentam boa ductilidade e boa tenacidade (DONACHIE, 1989).

Em ligas que apresentam em sua estrutura a fase metaestável, ocorre a precipitação da

fase α durante o envelhecimento em temperaturas inferiores a temperatura transus, (450 a 650

°C) já em ligas que apresentam a fase estável o endurecimento não pode ser obtido por

envelhecimento. (WEISS;SEMEATIN,1998).

Tanto o molibdênio quanto o vanádio são os dois principais estabilizadores da fase e

também são responsáveis pela maior resistência das ligas beta, esses elementos geralmente são encontrados nessas ligas com teores entre 2 a 20% do peso. (BIELER, 2005)

Segundo Donachie (1989) o titânio não apresenta a formação de componentes intermetálicos com os elementos estabilizadores, geralmente esses elementos diminuem a

temperatura transus fazendo com que a fase seja estabilizada em temperaturas mais baixas.

Os elementos estabilizadores da fase são classificados em dois grupos distintos: isomorfos e

eutetóides. O grupo isomorfo é composto por materiais como o molibdênio, vanádio, tântalo e nióbio. Em contrapartida os B estabilizadores eutetóides são o cromo, manganês, ferro, cobalto, níquel e cobre.(ANKEM e GREENE, 1999).

Conforme descrito por Aken e Greene(1999), em ligas metaestáveis aonde ocorre a precipitação da fase α homogeneamente, ocorre um aumento no limite de resistência e na

possibilidade de serem tratadas termicamente. O seu processamento pode ser controlado de maneira mais eficaz e assim resultar numa melhor produtividade. (KURODA, 1998).

2.4. Ligas de Ti-Mo

Devido a excelentes propriedades combinadas, como por exemplo, biocompatibiliadade, resistência à corrosão e boas propriedades mecânicas, a liga Ti-6Al-4V vem sendo a mais utilizada durante um longo período na composição de implantes ortopédicos.(NIINOMI, 1998; KUMAR, 2008), porém o vanádio e o alumínio acabam soltando íons no organismo que se ultrapassarem certos limites podem causar doenças neurológicas, como por exemplo o Alzheimer.

Com a finalidade de se evitar esses problemas neurológicos, está sendo desenvolvida uma série de estudos sobre ligas e suas aplicações como material ortopédico, devido a sua

grande biocompatibilidade mecânica (KUMAR, 2008).Sistemas binários como o Ta e Ti-Mo vem sendo desenvolvidos para essas novas aplicações.

Conforme estudado por Ho et al.(1999), o sistema binário Ti-Mo apresenta variações de fase e variações de propriedades de acordo com a quantidade de molibdênio presente na liga, devido à temperatura ambiente esse sistema binário apresentar uma extensa faixa onde tanto a fase α quanto a fase estão presentes.Sendo assim, ligas que apresentam em sua composição

de 3 a 5% de molibdênio sua estrutura cristalina é hexagonal, fase α’, já nas ligas com um teor

de molibdênio superior a 10% a fase presente é a e sua estrutura cristalina é cúbica de corpo centrado.Na faixa de 6% de molibdênio a fase é α’ e α’’ e também estão presentes as duas

Figura 5- Diagrama de fases Ti-Mo.

Segundo NAG et al. o sistema binário Ti-15Mo é uma das ligas mais promissoras.Suas propriedades e características podem ser modificadas de acordo com as necessidades que se têm por tratamentos térmicos, aonde através dos mesmos podem ser mudadas a macro e microestrutura além das fases presentes.

Desta forma, o principal objetivo de um tratamento térmico ou termomecânico é transformar uma microestrutura inicial em uma microestrutura que apresente um balanço adequado de propriedades mecânicas para uma determinada aplicação.

2.5 Tratamentos Térmicos das ligas de titânio

Em ligas de titânio que apresentam em sua microestrutura a fase , é possível a realização de tratamentos térmicos afim de: reduzir as tensões residuais provenientes do processo de fabricação; para obter a máxima eficiência com relação à ductilidade, a facilidade de usinar e a estabilidade dimensional; aperfeiçoar propriedades como resistência à fluência em altas temperaturas, resistência à fratura e resistência à fadiga (BIELER, 2005).

são totalmente dependentes da história das fases presentes e de suas concentrações no volume, portanto a realização do mesmo tratamento térmico em ligas que possuem diferentes composições, podem apresentar variação de resultados.

A temperatura de realização dos tratamentos térmicos é de grande importância para o desenvolvimento das ligas e essas temperaturas devem ser baseadas na temperatura de transformação α+ / , pois uma pequena variação nesta temperatura pode alterar

drasticamente a microestrutura e as propriedades das ligas. Existem duas maneiras de se determinar a temperatura -transus, uma das maneiras é pela técnica de análise metalográfica e a outra forma é por análise térmica diferencial, porém a técnica de análise térmica diferencial é mais precisa econômica e rápida do que a análise metalográfica (FREITAS,2005).

2.5.1 Alívio de tensões

O alívio de tensões é um tratamento térmico que não modifica a microestrutura do material, mas é muito utilizado para a remoção de tensões residuais provenientes do processo de fabricação do material.

As tensões residuais desequilibradas podem ocasionar distorções e também problemas em ligas que possam sofrer fragilização por hidrogênio (BIELER, 2005), portanto sua remoção favorece a estabilidade da forma e ajuda na eliminação de condições desfavoráveis como, por exemplo, a perda de resistência ao escoamento.

Tabela 5- Alívio de tensões ( Adaptado Donachie, 1998)

Classificação da Liga Temperatura (oC) Tempo (h)

Ti comercialmente puro 480 – 595 0,25 – 4

D 540 – 700 0,25 – 4

D + E 480 – 640 0,5 – 1

E 675 – 815 0,25 – 2

O resfriamento pode ser realizado ao ar ou dentro do forno.

Para o alívio das tensões as ligas devem ser mantidas em temperaturas suficientemente altas, mas não podem causar uma precipitação indesejável em ligas A+B ou não podem deixar de produzir uma recristalização indesejável em ligas que apresentam apenas uma fase em sua microestrutura.

A velocidade com que o resfriamento é realizado não é um fator crítico, porém sua uniformidade se torna importante, principalmente no intervalo de 315 a 480ºC (DONACHIE, 1989). Resfriamento com água e óleo deve ser evitado, pois podem induzir o surgimento de tensões residuais provenientes de resfriamentos acelerados em diferentes partes da peça, portanto resfriamentos ao ar ou dentro dos fornos são os mais indicados para esse tipo de tratamento térmico.

2.5.2 Recozimento

α

recozimento na faixa de 700 a 900 ºC, enquanto que nas ligas essa faixa de temperatura é de 690 a 815 ºC.

A estabilidade térmica das ligas α+ é dependente das transformações na fase , pois

quando resfriada a partir da temperatura de recozimento a fase pode se transformar e em

alguns casos, dependendo das condições existentes essa fase pode dar origem a uma fase intermediária conhecida como ômega. Devido a este fato anteriormente citado faz-se necessário um tratamento de recozimento para produzir uma fase estável que seja resistente

a transformações quando o material for solicitado em altas temperaturas de serviço.

Existem três principais tipos de recozimento: recozimento de laminação; recozimento de recristalização; recozimento para a obtenção da fase beta. O recozimento de laminação é utilizado em materiais laminados e por não se tratar de um recozimento pleno pode deixar marcas de microestrutura trabalhada a frio ou a quente em produtos que foram muito deformados. O tratamento de recozimento de recristalização é utilizado para aumentar a tenacidade a fratura e consiste no aquecimento da liga até temperaturas superiores do campo bifásico de α+ , mantendo-se a liga nessa temperatura por um determinado tempo seguido de

um resfriamento muito lento. Já o recozimento para a obtenção da fase consiste no aquecimento da liga até temperaturas superiores a -transus, seguido de um resfriamento lento. A Tabela 6 apresenta uma variedade de ligas de titânio com suas respectivas temperaturas e tempos de recozimento.

Tabela 6-Tempos e temperaturas de recozimento.

Liga Temperatura (ºC) Tempo (h) Meio de Resfriamento

Ti Cp 650-750 1 até 2 Ar

Ti-5Al-2,5 Sn 720-845 1/6 até 4 Ar

Ti-8Al-Mo-V 790 1 até 8 Ar ou forno

Ti-6Al-4V 705-790 1 até 4 Ar ou forno

Ti-3Al-2,5V 650-750 1/2 até 2 Ar

Ti-7Al-4Mo 705-790 1 até 8 Ar

2.5.3 Solubilização e Envelhecimento

É um tratamento térmico realizado em ligas α+ e de titânio com a finalidade de aumentar a resistência mecânica e a ductilidade. Esse tratamento térmico geralmente é feito após a realização de trabalhos mecânicos a fim de gerar melhores propriedades mecânicas (INFOMET, 07/11/12).Sua realização em ligas de titânio pode gerar um aumento na ordem de 30 a 50% na resistência mecânica, mas em materiais com uma área de secção transversal muito grande os resultados não são satisfatórios.

Em ligas α+ , faz-se o aquecimento da mesma até a temperatura de solubilização e

assim uma maior fração de fase é obtida. Para manter essa transformação é realizado um

rápido resfriamento pós-solubilização. Terminada a etapa anteriormente citada, faz-se o envelhecimento e consequentemente a fase instável é decomposta. Existem casos em que, juntamente com a fase , está presente a fase martensítica (α’) que também é decomposta.

Nesse tratamento a relação da temperatura de solubilização com as propriedades se faz presente, pois uma alteração na temperatura de solubilização das ligas α+ ocasiona uma mudança no percentual de fase presente e consequentemente a resposta que essa liga terá ao

envelhecimento será diferente.

Em ligas a solubilização seguida de envelhecimento provoca uma transformação

parcial de em α, que fica dispersa na fase . Essa microestrutura formada permite que níveis

de resistência iguais ou superiores aos de ligas α+ envelhecidas sejam atingidos. Em ligas de

titânio o envelhecimento é considerado como a etapa final para a obtenção de uma resistência mecânica elevada. O envelhecimento é um tratamento térmico, no qual as ligas de titânio são aquecidas até uma faixa de temperatura compreendida entre 425 a 650 C, com a finalidade de decompor a fase supersaturada ocasionada pela têmpera. Quando realizado adequadamente

proporciona a liga tratada alta resistência mecânica e ductilidade razoável.

O envelhecimento em ligas que não apresentam em sua microestrutura a fase é

Solubilização

Liga Temperatura (oC) Tempo (h) Resfriamento

D 980 – 1010 1 Ar, óleo ou água

D + E 845 – 970 1 Ar ou água

E 690 – 925 0,25 – 1 Ar ou água

Envelhecimento

Liga Temperatura (o_{C) Tempo (h)}

D 565 – 595 8

D + E 480 – 760 2 – 8

E 425 – 595 4 – 100

2.5.4 Tempera

Para as ligas α+ um fator de extrema importância é a taxa com que ocorre o

resfriamento de uma liga que foi aquecida até a temperatura de solubilização e o seu efeito em propriedades como resistência mecânica e ductilidade. Se a taxa de resfriamento for muito baixa ocorrerá a decomposição da fase e consequentemente os níveis de resistência

mecânica atingidos não serão os esperados quando o envelhecimento for realizado. As ligas

podem ser temperáveis a partir da temperatura de solubilização com ar contanto que as propriedades mecânicas requeridas ao final do processo permitam, pois com o resfriamento lento minimiza-se qualquer chance de ocorrência de distorções. Alguns outros fatores também influenciam na eficiência do tratamento térmico de têmpera, entre eles podemos citar: o tamanho da secção onde é realizada a têmpera e o teor de elementos estabilizantes, ou seja, em casos que a quantidade de elementos estabilizadores da fase â é muito elevada são obtidos melhores resultados de resistência mecânica.

Ligas α+ geralmente são resfriadas em água, salmoura 5% ou ainda por solução de soda cáustica, pois com a utilização desses meios de resfriamento é possível manter a fase

Geralmente quando se fala de resfriamento rápido, deve-se levar em conta também o tempo de resfriamento. Em ligas α+ esse tempo deve ser de no máximo 7 segundos,

enquanto que em ligas aonde a fase esta bem estabilizada esse tempo pode chegar até 20

segundos.

2.6 Influências dos Elementos de Liga na Obtenção de Microestruturas e na Microdureza em Ligas de Titânio

Existem alguns modos de se descrever uma liga, e um deles é analisar as fases presentes na microestrutura da mesma. A fase é representada por uma área aonde a composição química e a estrutura cristalina são iguais.

Segundo WATAHA (2000) a fase das ligas é responsável por determinar propriedades como biocompatibilidade, resistência a corrosão entre outras, pois a fase é quem irá interagir com o meio biológico e devido a essa interação é que serão determinados os elementos que serão liberados pela liga. Outro fator relevante e a relação do tamanho do grão com as propriedades físicas das ligas, como por exemplo, grãos menores melhoram a porcentagem do alongamento, não afetando a tensão limite de escoamento. (WATAHA, 2000).

HO et al.(1999) analisaram como a concentração de molibdênio influenciava na formação da microestrutura da liga.Com teores de molibdênio entre 6 a 7,5% do peso da liga, constataram a presença de uma microestrutura martensítica acicular de fase α”, já com teores de molibdênio iguais ou superiores a 10%, observaram que a fase foi predominante. Outro

fato relevante observado pelos autores foi com rela o a microdureza apresentada pelas

ligas.As ligas com teores entre 6 a 7,5% foram as que apresentaram os menores valores de microdureza.

Em GORDIN et al.(2004) foram feitos estudos da microestrutura e da microdureza da liga Ti-12Mo-5Ta. Os autores constataram que essa liga apresentou em sua microestrutura a fase , devido à presença de elementos estabilizadores, como por exemplo, o molibdênio e o

tântalo. Com relação à microdureza, ficou evidenciado que a liga apresentou resultados mais elevados de microdureza quando comparada com os valores apresentados na literatura para o titânio comercialmente puro. Este fato foi relacionado com a presença de menores grãos na microestrutura da liga estudada.

acicular martensítica, devido a diminuição da temperatura inicial de formação da estrutura martensítica.

Em KANG et al. (2009) foram feitos estudos com a finalidade de avaliar a influência das concentrações tanto de Ag quanto de Cu. Ficou constatado que independentemente da concentração de Ag e de Cu usada a fase presente na liga era a α, as concentrações de Ag e

Cu só influenciavam na espessura e na extensão da fase.

2.7 Dureza

Ao falar de dureza de uma liga, leva-se em conta a capacidade que a mesma tem de não ser desgastada e nem desgastar dentes e restaurações dos materiais ou aparelhos que estão sendo usados para a medição dessa propriedade.

Segundo CRAIG e POWERS (2004), ligas com dureza Vickers inferior a 125 Kg/mm2 apresentam grande possibilidade de serem desgastadas, já ligas com dureza superior a 340Kg/mm2 podem acabar desgastando os dentes antagonistas.

Nos processos existentes de fundição de ligas de titânio ou só mesmo na fundição do titânio, pode ocorrer a contaminação da superfície com oxigênio dando origem a uma camada que pode aumentar os valores de dureza, quando comparados com os valores de dureza em camadas mais profundas (LAUTENSCHLANGER;MONAGHAM, 1993).

Em ROCHA et al. (2006), foram estudados os efeitos dos tratamento térmicos nas microdureza do Ti cp e da liga Ti-6Al-4V.Os autores constataram que na liga Ti-6Al-4V ambos os tratamentos afetaram a dureza da liga; já com relação ao Ti cp somente o segundo tratamento térmico influenciou na propriedade de dureza.

Em KICUCHI et al.(2003) conforme eram aumentados os teores de Cu em ligas Ti-Cu, os valores de microdureza também ficavam maiores.Os teores de Cu foram entre 0,5 a 10% do peso da liga.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a obtenção das amostras foram seguidas as seguintes etapas, como representado no fluxograma abaixo:

Preparação do material para

fundição

Obtenção das ligas

Homogeneização

Bruto de fusão

Solubilização

Calcinação

Fora do forno Dentro do forno Homogeneizado

3.1 Obtenção das ligas

As amostras foram obtidas a partir do titânio comercialmente puro e do molibdênio, de acordo com a quantidade proposta (Ti-15Mo). Para a esterilização e limpeza dos materiais, tanto o titânio quanto o molibdênio foram cortados em pequenos pedaços e colocados em uma solução formada por 50 ml de ácido sulfúrico, 20 ml de ácido fluorídrico, 20 ml de ácido nítrico e 10 ml de água destilada.

Terminada a limpeza dos materiais, ambos foram pesados em uma balança analítica conforme a Figura 6 de acordo com a proporção indicada para a formação da liga. A etapa da pesagem é de vital importância para obtenção adequada da liga.

Posteriormente a pesagem, a amostra foi colocada dentro de um forno alto voltaico, com eletrodo não consumível de tungstênio e atmosfera inerte como ilustrado pela Figura 7 e disposta dentro de um cadinho de cobre como mostrado pela Figura 8.

Colocada a amostra dentro do cadinho, o forno foi fechado e a purga foi realizada visando deixar dentro do forno uma atmosfera inerte de gás argônio. Dento do forno o eletrodo de tungstênio funciona como um cátodo enquanto que o cadinho de cobre funciona como um anodo, então para fundir o material colocado no cadinho abriu-se um arco entre o cátodo e o anôdo através da ativação por um pedal, o qual é ligado a uma fonte retificadora. O forno apresenta também um fole que além de flexível, é rosqueável permitindo assim uma fundição homogênea em todos os pontos da amostra.

Figura 7- Forno utilizado para a obtenção das ligas.

amostra estivessem relativamente frios e a amostra foi retirada.

3.2 Homogeneização

Terminada a etapa de fundição, a amostra obtida foi levada à um forno tipo mufla modelo FV-2 EDG, como mostrado na Figura 9 para a realização do tratamento térmico de homogeneização segundo estudo de DONACHIE (1989). A amostra foi colocada dentro do forno e dentro deste forno uma atmosfera inerte foi feita também com gás argônio para evitar a contaminação da amostra. Posteriormente a amostra foi aquecida até 1000 ºC com a finalidade de remover tensões residuais provenientes do processo de fabricação acima descrito.

Figura 9 – Forno tipo mufla utilizado para a realização dos tratamentos térmicos.

3.3 Solubilização

3.4 Calcinação

Após a realização do tratamento térmico de solubilização, duas amostras foram colocadas em forno EDC-3P modelo 7000, como mostrado na Figura 10, sendo aquecidas até a temperatura de 450 ºC por 1 hora. Posteriormente uma das amostras foi retirada do forno, sendo resfriada a temperatura ambiente e a outra amostra foi deixada dentro do forno tendo um resfriamento menos acelerado.

4.1 Difração de Raio-X

A análise de difração de Raios-X foi realizada em um equipamento Rigaku Gieger-Flex, como mostrado na Figura 11, situado no Departamento de Engenharia de Materiais, UFSCAR-SP.

Figura 11-Equipamento utilizado para a análise de difração de raio-x.

As amostras utilizadas para o ensaio foram seccionadas em tiras e as análises por difratometria de raios X foram feitas utilizando radiação Kα do cobre (comprimento de onda de 15,42 nm), com varredura em um intervalo de 10° d 2 d 100°. Calculou-se então as distâncias interplanares (d) dos planos difratados das amostras por meio da Lei de Bragg, nλ =

2.d.sen , e comparou-se com as análises realizadas por ZHOU et al. (2005).

4.2 Microscopia Ótica

Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá (FEG).

Para a análise microestrutural se fez necessário a secção transversal das amostras em uma máquina de corte com disco diamantado ISOMET Buehler modelo 4000, representada pela Figura 13. Em seguida as amostras foram embutidas em uma resina especial para não interferir em parâmetros da análise. Após o embutimento foi realizada a metalografia das amostras, que consistia no lixamento das mesmas em lixas de carbeto de silício (SiC) com diferentes granulometrias. As lixas estão representadas na Figura 14 e apresentavam granulometrias de 600, 1200, 1500 e 200. Terminada a etapa acima descrita, as amostras foram polidas na Politriz modelo DPU 10, representada pela Figura 15, com um pano especial (OP-Chem) e ácido oxálico 5%. Após o polimento as amostras foram atacadas com um reagente composto por 5ml de Ácido Fluorídrico, 10 ml de Ácido Nítrico e 85 ml de água para revelar a microestrutura.

Figura 14 – Lixas utilizadas na preparação das amostras.

Figura 15 – Politriz utilizada na preparação das amostras.

4.3 Microdureza

prova. Para a obtenção dos resultados de dureza Vickers foram realizadas as médias da medidas em cada corpo de prova.

5.1 Fases e Morfologia no Estado Bruto de Fusão

A Figura 16 representa a microestrutura da liga Ti-15Mo no estado bruto de fusão. Nota-se a formação de uma estrutura ao longo de toda a amostra e também a presença de grãos grandes. Outro fato relevante é a ausência da fase α’.

Figura 16 – Microestrutura da liga Ti-15Mo no estado bruto de fusão.

5.2 Fases e Morfologia Após o Tratamento de Homogeneização

Figura 17- Estrutura da amostra homogeneizada no aumento de 1000x.

5.3 Fases e Morfologia Após Tratamento de Solubilização

Através da análise das Figuras 18 e 19 nota-se a presença de uma estrutura homogênea ao longo de toda a extensão da amostra, com grãos definidos e uma estrutura martensítica representada pela Figura 20. Consultando a bibliografia observamos que a estrutura martensítica não aparece em ligas com teores de molibdênio superiores a 13%. Logo devemos supor que houve a segregação de parte do molibdênio usado na fundição.

Figura 19-Estrutura da amostra solubilizada no aumento de 200x.

Figura 20- Estrutura da amostra solubilizada no aumento de 1000x.

5.4 Fases e Morfologia Após Simulação de Calcinação

Esse tratamento térmico foi reproduzido para as ligas sem cobertura de nanotubo a fim de investigar se existe variação na estrutura do metal durante o procedimento.

Observando a Figura 21, percebe-se a formação de grãos grandes devido o resfriamento lento, com estruturas dendríticas em seu interior. É importante notar que a orientação das dendritas muda de um grão para o outro.

Figura 21- Estrutura da amostra resfriada dentro do forno no aumento de 100x.

Ainda com o intuito de observar a influência do proposto tratamento na estrutura da liga, outra condição foi realizada. Após o aquecimento durante 1 hora a amostra foi resfriada fora do forno, à temperatura ambiente. A estrutura dessa amostra pode ser observada pela Figura 22.

Fica evidente que apesar de a amostra ainda apresentar grãos grandes, a diferença na taxa de resfriamento gera um crescimento muito menor da fase dendrítica.

5.5 Microdureza

Com a intenção de avaliar a dureza da liga Ti-15Mo submetida a diferentes tratamentos térmicos foram realizados ensaios de microdureza. Foram analisadas 5 amostras, sendo uma bruta de fusão (BF), uma homogeneizada (H), uma solubilizada (S), uma aquecida a 450 ºC e resfriada fora do forno (TF) e outra resfriada dentro do forno (TD). O instrumento utilizado para avaliar essa propriedade foi um microdurômetro modelo HMV 2T da Shimadzu, com um penetrador de forma piramidal para microdureza Vickers. A carga utilizada no ensaio foi de 100 gramas e o tempo de duração foi de 15 segundos para cada medida.

Para cada amostra foram realizadas 15 penetrações divididas em 3 regiões distintas da peça, sendo essas regiões dispostas conforme a Figura 23.

Figura 23- Representação esquemática das regiões avaliadas pelo microdurômetro.

Tabela 8- Tabela com os valores médios da dureza em cada região.

Amostras 1ª Região 2ª Região 3ª Região Média Desvio BF 365,4 412,4 430,6 402,8 33,64

H 314,2 315,6 313,4 314,4 1,11

S 268 252,6 262,4 261 7,79

TD 569 560 569,6 569 5,37

TF 551 527,8 556,8 545,2 15,34

Analisando cada região de uma mesma condição, verifica-se que o maior desvio apresentado, ou seja, a condição que apresenta regiões com características mais distintas é a bruta de fusão. Esse resultado é bastante condizente, pois as demais condições foram submetidas a tratamentos que buscam homogeneizar todo o seu volume.

É possível concluir que a adição de molibdênio como elemento de liga é relevante na formação de estrutura no material e é notável que a concentração desse elemento altera a

fase obtida. Para tanto se deve garantir que não exista segregação de molibdênio, seja por sucessivas fusões no material bruto, ou por tratamentos térmicos subseqüentes.

No que tange a relação de tratamentos térmicos e alterações das características da liga, conclui-se que tanto a homogeneização quanto a solubilização levam a formação de estruturas diferentes, sendo que após solubilização a microestrutura formada é a de menor dureza, ou seja, é a fase preferível para realizar-se conformação mecânica. Denotamos ainda que o tratamento realizado como forma de simular as condições utilizadas para crescimento de nanotubos de oxido de titânio é responsável pelo aparecimento de martensita acicular, uma modificação estrutural que gera um aumento substancial da microdureza do material.

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